Отчет о научно-исследовательской работе нейтринная астрофизика, нейтринная, гамма и гравитационно-волновая астрономия, физика космических лучей, физика и техника нейтринных телескопов в низкооновых подземных и подводных лабораториях (стр. 24 )

Центральным элементом системы контроля фоновых характеристик воздушной среды является детектор активности радона. Оптимальным представляется детектор, использующий воздух в качестве рабочего вещества. Он должен обладать достаточно большим объёмом для обеспечения высокой чувствительности и хорошим энергетическим разрешением для того, чтобы разделить пики б-частиц от распада 222Rn  и дочерних 218Ро, 214Ро, одновременно присутствующих в пробе.

В БНО ИЯИ РАН разработана конструкция цилиндрической воздушной импульсной ионной ионизационной камеры (ЦВИК), изготовлен детектор и исследованы его характеристики. Результаты этой работы представлены ниже.

Конструкция ЦВИК. На рис. 4.2.4.1 приведен схематический продольный разрез и схема подключения ЦВИК. Одна ось стержней подвески условно смещена на 60о по отношению к действительному расположению для удобства восприятия рисунка. Названия некоторых узлов приведены в подписи к рисунку.

Рис. 4.2.4.1 Схематический продольный разрез и схема подключения ЦВИК.

1. Корпус. 2. Собирающий электрод (анод). 3. Высоковольтный сетчатый электрод (катод). 4. Охранный электрод. 5. Изоляторы. 6. Зарядочувствительный предусилитель.

7. Цифровой осциллограф. 8. Высоковольтный источник. 9. Персональный компьютер.

10. Входной и выходной штуцеры продувки камеры.

Полный объём, из которого может собираться первичная ионизация, равен 3220 см3.  Длина камеры с отсеком для аппаратуры равна 450 мм. Масса камеры равна ~6 кг.

Рабочие характеристики ЦВИК. Для измерения рабочих характеристик камера была подвешена горизонтально на резиновых растяжках внутри металлического корпуса от персонального компьютера. Отрицательное высокое напряжение (-1.5 кВ) подавалось на катодную сетку от программируемого источника МАНТИГОРА HV-2000N через RCRC-фильтр, где R=120 МОм, C=0.047 мкФЧ4 кВ. Сигнал снимался самодельным з. ч.у. Высоковольтный фильтр и з. ч.у. размещены в аппаратном отсеке и экранированы друг от друга металлическими перегородками. С выхода з. ч.у. импульсы подаются на вход моноблочного ц. ос. ЛА-н10-12USB. С выхода ц. о. сигналы поступают на USB-порт переносного п. к. типа Net Book, который управляет режимами работы ц. о. и записывает оцифрованные импульсы. В проверочной серии измерений частота оцифровки была выбрана равной 1.56 МГц (ширина временного канала 0.64 мс). Запуск ц. о. на запись осуществляется по превышению заданного порога. В записанном кадре присутствует «предыстория» (участок шумовой дорожки, предшествующий импульсу) и «история» (сам импульс).

Камера была заполнена с помощью аквариумного насоса фильтрованным атмосферным воздухом обычного лабораторного помещения без дополнительной обработки. На высоте расположения Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, где проводились измерения, среднее атмосферное давление равно 620 мм рт. ст.

Подход к обработке формы оцифрованных выходных импульсов основан на предположении, что функция отклика з. ч.у. на длинный импульс тока равна сумме нормированных на конкретные амплитуды функций отклика для коротких составляющих импульсов. Функция отклика (ф. о.) з. ч.у. на короткий импульс тока может быть задана разными способами: 1) в аналитическом виде, если известен закон преобразования короткого импульса тока; 2) в виде эмпирического выражения, наилучшим образом аппроксимирующего форму измеренного выходного импульса при подаче на вход короткого импульса; 3) в виде таблицы значений выходного импульса для короткого входного импульса. Как правило, выразить ф. о. устройства, сочетающего зарядочувствительный входной усилитель и последующий усилитель с большим коэффициентом усиления, в общем аналитическом виде оказывается затруднительным. По этой причине для описания ф. о. предусилителя был использован вариант (2). Задача обработки формы импульса заключается в восстановлении значения полного заряда ионизации, которое соответствует амплитуде с выхода усилителя, не имеющего саморазряда. Для получения этой величины записанный импульс предварительно сглаживается методом «скользящего среднего по нескольким точкам». Из амплитуды импульса вычитается значение амплитуды усреднённой шумовой дорожки. Предполагается, что значение амплитуды импульса в начальном канале соответствует неискажённой амплитуде входного импульса тока а1. Рассчитывается полная форма выходного импульса от такого тока в виде а1i=а1∙exp(-ni∙Дt/ф), где ni – номер временного канала полного импульса (i= 0чnmax), Дt – длительность временного канала (0.64 мс), ф – время спада амплитуды экспоненты в е раз, nmax - последний временной канал полного импульса. Полученный расчётный выходной импульс вычитается из полного импульса. Теперь неискажённой оказывается амплитуда а2 в начальном канале нового импульса. Процедура определения амплитуд аj повторяется, пока не будет достигнуто j=nmax. Полный заряд ионизации соответствует амплитуде импульса, полученного как Уаj, в точке максимума.

Рис. 4.2.4.2 Спектры амплитуд импульсов от распада радона и его д. п.р. в ЦВИК,  заполненной воздухом до 620 мм рт. ст. (0.83 Бар), при напряжении (-1.5 кВ): а) амплитуды исходных импульсов; б) амплитуды восстановленных импульсов.

На рис. 4.2.4.2а представлен нормированный на 1час. спектр амплитуд импульсов от б-частиц распада радона и его д. п.р. Значения амплитуд считывались в максимуме записанных импульсов. При таком определении амплитуды полученный спектр малопригоден для спектрометрических измерений. На рис. 4.2.4.2б представлен спектр амплитуд, построенный из тех же импульсов после восстановления величины полного заряда. Его значение так же считывалось в канале максимума исходного импульса. На спектре присутствуют пики б-линий 210Po (5297 кэВ), 222Rn (5537±6 кэВ ), 218Po (6003 кэВ), 214Po (7687 кэВ). Энергетическое разрешение линии 222Rn равно (1.7±0.1)%.

Результаты исследования рабочих характеристик ИКВД изложены в работе [2].

Конструкция Rn-монитора с ЦВИК.

В соответствии с исходными техническими условиями радоновый монитор должен быть оформлен в виде носимого однокорпусного прибора. В связи с этим за основу был выбран стандартный корпус от персонального компьютера. В состав монитора входят ЦВИК с ЗЧУ и фильтром высокого напряжения, управляющий миникомпьютер (УМК), Цифровой Осциллограф (ЦОС), аквариумный компрессор, блок управления, низковольтные источники питания всех перечисленных узлов. Схема

Рис. 4.2.4.3. Схема Rn-монитора на базе ЦВИК.

монитора представлена на рис. 4.2.4.3. Управляющий компьютер на схеме не указан. На этапе лабораторной проверки был использован ноутбук. Для мобильного варианта было решено использовать одноплатный микрокомпьтер MinnowBoard MAX. Все блоки расположены и закреплены на 3х уровнях полок, встроенных в рабочий корпус. Порядок размещения узлов показан на фото рис. 4.2.4.4. Ведётся настройка узлов и отладка программ.

   

Рис. 4.2.4.4 Вид внутреннего пространства и размещения узлов Rn-монитора

4.2.4 Заключение

Изготовлены 3 ИКВД. Разработана схема и конструкция мобильного Rn-монитора с ЦВИК. Завершены комплектация и изготовление трёх приборов. Проводятся испытания и выпускная наладка первого экземпляра. Работа продолжается.

4.2.4 Источники

1. Публикация 38 МКРЗ. Справочник. «Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения». кн.2, часть 2. М., Энергоатомиздат, 1987.

ICRP Publication 38. “Radionuclide Transformations. Energy and Intensity of Emissions.”.

Published by PERGAMON PRESS, 1984.

2. Yu. M. Gavrilyuk, A. M. Gangapshev, A. M. Gezhaev, R. A. Etezov, V. V. Kazalov,

V. V. Kuzminov, S. I. Panasenko, S. S. Ratkevich, D. A. Tekueva, S. P. Yakimenko.

“High-resolution ion pulse ionization chamber with air filling for the 222Rn decays detection”

a) arXiv [physics. ins-det]:1508.04295

b) Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. Volume 801, 21 November 2015, Pages 27–33

4.2.5 Проверка экспериментально наблюдаемого эффекта годовых и суточных вариаций константы распада ядра 214Ро на короткоживущем ядре 213Ро

Научный руководитель: ведущий научный сотрудник, д. ф.-м. н. 

  Исполнители:

         научный сотрудник ;

         зав. лаб, к. ф.-м. н. ;

         ст. инженер-экспериментатор ;

         старший научный сотрудник, к. ф.-м. н. ;

зав. БНО ИЯИ РАН, д. ф.-м. н. ;

научный сотрудник ХНУ им. (г. Харьков) ;

  старший научный сотрудник ХНУ им. (г. Харьков) .

4.2.5 РЕФЕРАТ

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА, ВАРИАЦИИ СУТОЧНЫЕ И ГОДОВЫЕ, ИЗОТОП 214РО

Представлены результаты анализа временных рядов значений периода полураспада (ф) ядра 214Ро с различным временным шагом с установок ТАУ-1 (354 дня) и ТАУ-2 (973 дня). Усреднённое значение ф составило величину 163.47±0.03 мкс. В рядах значений ф обнаружены годовая вариация с амплитудой А=(9.8±0.6)∙10-4 и суточные вариации в солнечном, лунном и звёздном времени с амплитудами солнечно-суточная вариация  с амплитудой АС=(5.3±0.3)∙10-4, лунно-суточная вариация с амплитудой АЛ=(6.9±2.0)∙10-4 и звёздно-суточная вариация с амплитудой АЗ=(7.2±1.2)∙10-4. Показано, что вариации микроклиматических параметров не могут быть причиной вариаций ф.

4.2.5 ВВЕДЕНИЕ

В исследованиях [1]-[3], посвящённых поискам пределов выполнимости закона сохранения величины константы распада, для нескольких радиоактивных изотопов достигнуты ограничения на возможные годовые вариации этого параметра на уровне чувствительности не хуже 2∙10-4. В то же время в работах [4]-[6] приводятся свидетельства того, что величина эффекта, произведённого излучением исследуемого изотопа, испытывает годовые периодические вариации на уровне ~1∙10-3 под действием не выявленных факторов.